第6章-详细设计 6.4归一化

归一化包含器件归一化、单板归一化、平台归一化和网络架构归一化。

1.器件归一化

硬件工程师一般都能够理解，在一个板子上面尽可能地选择成本更低的器件，选择更少种类的器件，便于集中采购，同时也便于加工。但是有些公司的器件归一化工作可能做得没有那么细致。

（1）对于一些大公司，整个公司使用的器件种类非常多，所以如果减小一个器件编码，带来的收益是十万到几百万元人民币，而其他公司可能达不到这么高的收益。所以，对于一些大公司，如果能减少一个编码，宁愿选择成本更高的器件。但是这个也需要按照每年的器件直接成本收益×器件发货数量，与编码成本+加工成本差异进行对比的。不过器件归一化之后，器件的价格又可以跟供应商重新谈，这个收益是迭代的。所以，有时即使是成本占优，也会倾向去器件归一化的结论。例如，逐步去除5%精度的电阻，归一化到1%。

（2）器件归一化，都是需要进行专题分析的。因为也有工程师为了归一化，对电路原理没有充分分析，导致归一化带来“问题引入”。所以，当时我的部门有一个Excel表格《器件归一化分析.xls》，把每个器件原来选型、归一化的选型、更改的原因都做好记录和原因分析。一是让每个做归一化的员工都充分考虑分析，二是问题都有记录，便于评审，三是出了问题，好追根溯源。

2.单板归一化

除了器件归一化外，更高一个层次的归一化就是单板归一化。（“单板”这个概念，我稍微澄清一下，我刚到华为的时候，也觉得这个词很奇怪。因为通信设备都是机框、背板加各个功能模块的电路板，各个功能模块的电路就叫作“单板”，硬件工程师一般也称其为“单板硬件”。）

单板归一化带来的好处，首先是电路的种类少，好处有三个：一是生产成本降低，二是硬件维护成本降低，三是软件开发和维护成本降低。单板归一化要注意以下几点。

（1）单板归一化的先决条件首先是处理器归一化。其实，华为有的产品这点做得不好，X86、MIPS、ARM、PPC全部都用个遍，所以一个硬件平台，需要配备各种软件人员，开发各种操作系统，VxWorks和Linux、BIOS各种配套要齐全。

（2）单板的归一化，要注意产品的衍生。第一个版本的机框上的单板所实现的功能，如果后续的产品可以使用，应该直接可以用，不需要再开发。如果不注意这点，第一个版本的单板到第二版本时，发现不能相互借用，导致反过来再修改第一个版本的电路板来适应新版本。有时问题更糟糕，就是完全不能兼容，只好重新开发。单板的规划显得非常重要。

（3）单板归一化时，虽然电路部分兼容了，但是结构件不兼容，对于市场人员的配置来说，仍然是两种配置，一样是失败的。

3.平台归一化

如果发现不同的硬件平台的架构雷同、功能类似，那么机框也可以归一化。只需要制作不同的电路功能模块，就可以实现不同的功能需求。但是不同的硬件形态都是有它存在的意义的，如果强行归一，市场未必会接受这种事情的发生。例如用一个运营商的平台去归一一个企业应用或家庭应用的产品，就未必能够成功。

4.网络架构归一化

这个说法是我自己想的，早在2008年的时候，华为就在讨论“云管端战略”了，当时不是很理解。当我们一个运营商平台部门跟“服务器”的部门合并的时候，似乎理解了点什么。
当X86处理器足够强大的时候，所有的运算，不管是否性价比最高，都送到云端进行处理，那么所有中间的存储和计算都显得不重要了。那么整个网络的结构，就是终端+管道+云存储和云计算。既然计算和存储设备都是一样的，那作为运算和存储的设备，也就不需要那么多样化了。这时网络存储设备和服务器就显得尤为重要。这也是华为成立IT产品线，做重点战略投资的重要原因。所以现在也就不需要那么多网络节点和网络平台了，只需要超强的处理和存储能力，以及宽广的通道和多样的终端。

我们在器件选型的章节，提到了“归一化”，那么我们就对这个研发行为进行具体的阐述。
为什么我们要具体阐述这个行为呢？因为归一化做不做，往往不影响功能交付结果。收益在短期往往不明显，甚至会导致直接成本的上升。一些小公司往往意识不到做这个动作，一些初级工程师也没有方法论做这套工作。

其实大多数工程师在开发的过程中，器件选型时的出发点就是“归一化”，例如选择公司已经做过的设计作为参考，选择公司已经采购过的器件，选择自己用过的器件。这样的选型出发点，可以达到一些归一化的结果，但是这个结果不能得到保障，并且不能够量化衡量是否满足设计的归一化要求。因为这样完全依赖工程师的经验、水平、意识，结果往往不可控。

我们为什么需要归一化？

（1）减少不必要的人力投入。

以前老工程师会跟我们说，由于“技术不传染”，项目组之间没有什么技术沟通，相互之间的原理图、PCB、文档、案例基本不共享、不交流，大家的一些模块功能是一样的，但是设计结果各式各样，在设计阶段就重复劳动，当出了问题之后，其实大家面对相同的功能模块，在解决不同的问题。例如，音频的放大模块，频率其实基本上在0~30 kHz之间，都是交流耦合。设计时考虑单电源、双电源，高电源电压、低电源电压，R-8、RM-8等不同情况的兼容性，做几种类型的设计，尽量做到归一化，做几种类型的设计。从设计上面来说，所有人都有参考标准。如果碰到新问题，现有的设计模块不能满足时，再引入新器件及新设计。例如，平时大家的放大量都是100倍，按照增益带宽积，已有设计能够满足很多场景的带宽（同时单位时间的电压上升率也满足）；出现10000倍放大需求的时候再评估是否需要引入新模块设计。但是实际的设计都是放羊式设计，你喜欢ADI的，我喜欢TI的，他喜欢用MAX的……所以每人手上一套放大电路，每个人的滤波电路都不一样，ADC选型和设计也是各式各样。这样会造成相互之间无法借鉴，特别是出问题的时候，解决问题的过程无法和其他人讨论，解决问题的经验也无法分享给其他人。

（2）降低总体的采购成本。

举个例子，贴片电阻如果按照一盘进行采购，大约25元有5000片。你只买100颗相同的电阻，可能拿到的采购价格是5元。我们可以简单对比单价：按整盘采购单价是0.5分，按照散装采购价格是5分，单价相差10倍。其实通过这样的简单对比，我们很容易理解，在器件采购方面批发价比零售价便宜很多，有非常明显的特性。
除了类似于电容、电阻、电感等分立器件有这个特性外，在半导体器件采购上，这个特性更明显。为什么呢？因为大家知道，半导体的主要原料是二氧化硅，也就是这个世界上取之不尽、用之不竭的物质“沙子”。在一个芯片被成功设计和量产之后，其原料成本是非常有限的，主要的成本都是早期投入，例如研发投入、生产线投入，而这两部分的投入支出都非常庞大。

几乎所有的芯片都是阶梯价，也就是你采购量越大，得到的价格就越便宜。

我曾经就职于华为的硬件平台部门。其实在硬件平台部门，主要的目标就是把公司各个业务承载在相同的硬件上，用最少量的硬件研发人力承载最大的营收，减少重复的研发投入，并且降低总体的采购成本。但是其实我们阶段性的成果造成的局面是一个硬件平台，处理有X86、单核PPC、多核PPC、MIPS和ARM等多种处理器。从器件采购上面来说没有形成优势，从研发上面来说，每套开发的人员需要的技能都不一样，在开发和维护阶段的人力投入都非常巨大。在器件采购上面，每种器件的使用量都比较有限，在商务上没有特别的突破。

（3）更高的产品质量。

如果产品设计形成合力，相同的器件、相同的模块、相同的电路，其发货量比较巨大，暴露出来的问题往往也是概率性的，层次也比较深入。一些低级的问题，由于涉及的人员比较多，投入度也得到保证，所以在设计早期就已经解决得比较充分，并且当设计新电路的时候，可借鉴参考的内容也比较多，可讨论的同事也比较多。如果你选用一款器件，而这款器件被同事选用，已经产品化，并且海量发货，那么你选用这颗芯片的时候，不但这颗芯片被大批量验证过了，而且设计已经解决了已发现的问题，同时由于你的选用，可能增加这颗芯片的发货量，进一步增加商务谈判的砝码。

我们如何实施归一化？

平台归一化，这个设计场景比较少，架构师在考虑平台归一化的时候，往往是业务驱动。

通过现有产品，发现哪些业务可以通过重新规划电路的功能集合，完成新的电路模块的划分，实现新的硬件平台可以涵盖更多的使用场景。例如经典的硬件平台ATCA。ATCA（Advanced Telecom Computing Architecture）标准即先进的电信计算平台，它脱胎于在电信、航天、工业控制、医疗器械、智能交通、军事装备等领域广泛应用的新一代主流工业计算技术——CompactPCI标准。ATCA总线主要针对电信运营级应用，为下一代通信及数据网络应用提供了一个高性价比、模块化、兼容性强并可扩展的硬件构架，同时以模块结构的形式呈现，以符合现代对高速数据传输的需求，为新一代电信运营设备提供了一个“可靠、可用、适用”的解决方案。

正是由于ATCA优越的“高性价比，模块化合理，兼容性强，可扩展性强”的特点，ATCA具备特别强的生命力。与ATCA类似的还有其他种类的硬件平台，往往没有这么长的生命周期，或者没有这么大的市场占有率。

硬件单板归一化，强调的是在架构设计的时候，模块划分比较合理，模块的复用度高，模块间的耦合度低。

ATCA这样的硬件平台归一化的时候，合理地拆分功能模块，才能实现其可扩展性和兼容性的特点。在硬件单板设计、模块设计的时候，就需要考虑规格设计，涵盖场景等因素。

器件归一化，是硬件工程师经常需要面对的问题，此处做重点描述。

（1）处理器选型归一化。需要考虑软件归一化，如果选用相同的处理器，那么即使软件功能模块可能不一样，但是其大多数公用模块都可以借用相同的处理器，操作系统可以保持一致，同时驱动等底层软件都可以借用。给软件开发的便利性带来了很大的优势。特别是多版本的大规模发货的产品，由于产品本身有很多的沉淀需要传承，操作系统的变更可能导致很多功能需要重新开发。

例如，华为在变革操作系统的过程中，部分业务从VxWorks切换到Linux上，非常痛苦。首先大量的业务软件原本运行在Dopra（Dopra是在不同OS之上的一层封装，提供统一接口，提供编程框架），当你选用新的Linux版本的时候，Dopra都需要跟随进行补丁，或者重新确立版本。另外，大量的生产测试是基于VxWorks进行开发的，如果需要移植到Linux上，则需要花费大量的人力、物力。一些运行Linux的电路板就运行双操作系统，在业务状态下，电路启动之后就先进入VxWorks，如果需要进入生产装备等状态，则操作相关按键进入。如果是正常业务，再次引导Linux进入Linux进行业务运行。所以我们在成熟平台上进行处理器选型时，尤其要注意电路的继承性。

（2）内存类型的选型归一化。一个平台的生命周期需要考虑其所有器件的生命周期的健康性，而内存类的器件，往往其生命周期并没有平台的生命周期长。所以在器件选型的时候，需要注意两个生命周期的配合。选型某款DSP的时候，其外围的存储器件只能选用SDRAM，但是同一平台的其他器件已经进入DDR2时代。但由于X86更新换代比较快，很快配套内存选用DDR3。当平台发布没多久，几个大的存储器件厂家宣布SDARAM停产了。由于整个平台只有这么一个设计的位置选用了SDRAM，导致备货都无法开展。根据发货量预测到平台生命周期结束，对SDRAM进行备货至关重要。所以我们在选型的时候，哪怕有各种规格的DDR，也需要考虑归一化，这样哪怕备货的时候，也能形成批量采购获得价格优势，或者加大发货量去影响其生命周期，或者扶持一些小的器件厂商进行替代。

（3）电阻、电容等分立器件。电阻，我们需要在电阻精度上面进行归一化。若干年前，当时生产的电阻，其精度还不那么容易控制，我们需要根据设计，选用精度相对不那么高的电阻以降低成本。但是目前来说，1%精度的电阻与5%精度电阻的价格差异不再那么大，我们可以统一选用1%的，不但增加了统一采购的数量，以此来获得批量采购的价格优势，同时由于减少了器件的种类，降低了生产的时间。在阻值方面也可以做一些归一化的工作，例如在一些对阻值不是那么敏感的设计中，我们可以进行一些器件归一化，例如一些远离有用信号的RC滤波，相对不需要那么准确的精度，我们可将27欧姆归一化到33欧姆，这种对滤波结果影响不大的场景，可以选择归一化。

同时，有些阻值的电阻（20千欧姆），整个单板只用到一个，我们可以选择两个电阻的阻值之和（两个10千欧姆）来实现归一化。但是我们不能为了归一化而归一化，在减少器件种类或减少器件数量的时候，一定需要考虑归一化之后对电路的影响。当年我们开发Corei7嵌入式版本，第一版的工作都是正常的，调测完成之后，进入产品化阶段。但是回板之后，电路无法正常工作。原来是硬件人员没有进行评估，把处理器的外围晶振的对地电容18pF归一化到30pF，导致晶振不起振。